具有自组织组网能力的远程有害气体检测仪的设计与实现

卫睿华

(山西省计量科学研究院，太原府西街29号 030000)

0 引言

有害气体排放会造成严重的空气污染，会对人体健康产生极大的危害。特别是甲烷、一氧化碳、硫化氢等可燃、易爆有害气体还是造成煤炭、石油天然气的勘探开采和化工等生产领域中重大安全事故的来源之一。对这些有害气体进行监测，既要有源头式监控，在有害气体可能产生的工厂、矿山以及化学品存储地等源头进行常备式固定式的监控;也要有移动布放式的大范围监测，在污染源外围、污染扩散路径、居民区、人口密集区等地进行一定时间和范围的监测。因此，需要相关的可机动式部署的有害气体检测装置和监测系统，既可以在平时生产中准确有效的对此类易燃、易爆有害气体进行及时自动的检测和控制，同时，在事故发生后可快速部署，对污染范围进行预测和检测，是实现安全生产，保障人民健康的一个非常重要的手段。

目前，国内外有害气体检测装置的传感器技术、检测技术等方面已经比较成熟。然而，市场上许多同类产品存在着功能单一、使用不便或者操作烦琐、价格高昂等缺点。本文设计的远程有害气体检测仪不仅能满足多数工业生产场合的精度要求，而且操作方便、体积重量小，价格低廉，具备自组织组网能力，既可单台工作，也可以多套联合工作，可以快速的实现一定范围内的有害气体监测和污染范围预测。

1 检测原理

1.1 可燃气体检测

可燃气体是石油化工等工业场合遇到最多的危险气体，它主要是烷烃等有机气体和某些无机气体，如一氧化碳等。

可燃气体发生爆炸必须具备一定的条件，那就是:一定浓度的可燃气体，一定量的氧气以及有足够热量点燃它们的火源，这就是爆炸三要素，缺一不可。在工作中，以LEL(最低爆炸限度)方式测量这些气体的检测仪多采用催化燃烧式检测仪。它的原理是一个双路电桥检测单元。在其中的一个铂金丝电桥上涂有催化燃烧物质，正常情况下电桥是平衡的，输出为零。当有可燃气体泄漏时，可燃气体会通过传感器元件的催化剂进行无焰燃烧，产生热量。铂金丝电桥的电阻就会由于温度变化发生改变，由此电桥平衡被打破，产生电压差信号。被测的可燃气体的浓度正比于此微小的电压差信号，从而可以检测到可燃气体的浓度［1-2］。

1.2 有毒气体检测

有毒气体既可以存在于生产原料中，如挥发性有机化学物质(VOC)，也可能存在于生产过程的各个环节的副产品中，如氨、一氧化碳、硫化氢等等。它们是对工作人员造成危害最大的危险因素。这种危害不仅包括立即的短期的伤害，如身体不适、发病、死亡等等，而且包括对于人体长期的危害，如致残、癌变等等。目前，对于特定的有毒气体的检测，一般使用其对应的气体传感器。其中，检测无机气体最为普遍、技术相对成熟、综合指标最好的方法是定电位电解式方法，也就是我们常说的电化学传感器。

电化学传感器的构成是将两个反应电极在特定的电解液中放置两个电极(PE和CE)，在两个电极之间加上足够的电压，使透过涂有重金属催化剂薄膜的待测气体进行氧化还原反应，形成了电解电流，即传感器输出为电流信号。通过测量该电流，可换算成检测气体的浓度。

目前，可以检测到特定气体的电化学传感器包括:一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氨气、氯气、氰氢酸、环氧乙烷、氯化氢等等。

对挥发性有机化合物(VOC)进行检测，一般采用光离子检测器(PID)。该检测器使用具有一定能量的紫外光源作为气体离子化能量源，当气体进入检测器通过紫外光源时被击碎并离子化，带电气体电荷通过电极收集板产生电流，之后气体“复合”为原来的形式流出仪器，测量产生电流就可相应计算出气体的浓度［3-4］。

1.3 氧气检测

氧气的浓度也是在工业环境中，尤其是密闭环境中需要十分注意的因素。一般将氧气含量超过23.5%称为氧气过量(富氧)，此时很容易发生爆炸的危险;而氧气含量低于19.5%为氧气不足(缺氧，此时很容易发生工人窒息、昏迷以至死亡的危险。正常的氧气含量应当在20.9%左右。氧气检测仪也是电化学传感器的一种。

2 系统方案设计

远程有害气体检测仪由气体检测、终端显示、参数设置、数据存储、电源管理、数据传输等功能模块组成。

远程有害气体检测仪可对9种传感器信息(8种气体传感器和1个温度传感器)进行检测，气体传感器信息如下:

·O2:0－30.0%

·H2S/CO:0－500 ppm

·SO2:0－150 ppm

·NO2:0－99.9 ppm

·HCN:0－30.0 ppm

·VOC(挥发性气体):0－1000 ppm

·Combustible(易燃气体):0－100%LEL

从远程有害气体检测仪的需求出发，考虑到其使用的环境及有可能是室内，也有可能是野外，而且使用时还要考虑到安全性，使用人员会在穿有防护服的情况下操作，因此，有害气体检测仪的显示界面要简单明了，可以采用按键式或触摸屏来进行操作。终端显示模块显示内容如下:

·本机ID号:每个检测仪有唯一的ID号

·本机经纬度和时间

·电池状态:包括电量、充放电状态

·数据发送指示:数据发送时闪烁

·温度显示:当前环境温度

·各种气体浓度变化曲线和当前数值

·告警信息

·被监测气体超限报警，包括气体种类，超过浓度上限和下限

·电池电量不足告警

参数设置模块可通过下载预设置值或由功能按键调整参数的方式，设置终端的各项参数。

数据存储模块可存储3天内的GPS信息、温度信息、各种气体浓度信息数据，数据可以经过USB口、蓝牙接口等与U盘、手持式智能终端等交换数据。

电源管理模块对可充电锂电池的状态，包括电量、充放电状态进行监测。当电池电量低于设定值时，发出低电量报警信号。

数据传输模块包括无线网络接口、蓝牙接口、USB接口，可与中心站、手持式智能终端、U盘等进行数据交换。

远程有害气体检测仪采用铝合金外壳，具备防水功能。

3 硬件设计

3.1 气体检测电路

远程有害气体检测仪可以检测8种气体，这8种气体传感器中，VOC气体传感器采用光电离探测器，传感器输出为微弱电流信号;可燃气体传感器采用插入式催化珠型，传感器输出为微弱电压信号;其它6种传感器使用电化学传感器，传感器输出为微弱电流信号。检测过程图1所示。

图1 气体检测过程Fig.1 Gas detection process

不同类型的传感器，其调理电路也不同，对于VOC气体传感器和可燃气体传感器，可以采用运放构成常见的电流或电压检测电路，将微弱的电流或电压信号放大为标准的0～5V信号［3-5］。对于电化学传感器，使用过程中需要提供激励电压，其调理电路相对复杂，此外每隔一定时间需要对其进行校准，因此采用TI公司推出的新型电化学模拟前端芯片LMP91000，可以大大简化三电极电化学传感器调理电路的设计，它是专门为三电极电化学传感器设计的可编程模拟前端芯片。它具有可编程的增益控制和温度补偿，能够实现电化学传感器的自动调零和智能校准，大大提高测量精度。芯片具有的I2C总线，可以很方便实现传感器的阵列设计，实现多气体测量［6］。具体电路如图2所示。

图2 电化学传感器调理电路Fig.2 Electrochemical sensor conditioning circuit

3.2 核心处理电路

核心处理电路完成A/D变换、终端显示、参数设置、数据存储、电源管理、终端定位、数据传输等功能。为了避免污染环境中腐蚀性气体对设备的损害，采用双模组设计，分置在不同的舱段内。由低成本、低功耗的MSP430F5438为主构成的气体采集段电路，负责气体采集、A/D变换、电源管理功能;由ARM嵌入式终端为主构成密封段电路，负责终端显示、参数设置、数据存储和数据传输功能［7-8］。核心处理电路构成如图3所示。

美国德州仪器公司(TI)的MSP430F5438单片机是基于RISC架构的16位超低功耗单片机，内部集成256KB闪存和16KB RAM，在1.8～3.6V的工作电压范围内性能高达25MIPS。包含一个用于优化功耗的创新电源管理模块，其功耗已经达到了微安级。MSP430F5438内部集成有多通道、高速 A/D转换模块，能提供多通道12位精度的A/D转换，其最大采样速率可以达到200ksps。采用该微控器，配合简单的外围电路，可以很好地满足气体检测数据采集的要求。

图3 核心处理电路构成Fig.3 Core processing circuit

ARM嵌入式终端带有5.0寸高清晰LCD触摸屏，分辨率 800×480;3个 RS232/RS485，可连接GPS、Zigbee通信模块和蓝牙通信模块;1个 USB HOST/DEVICE，可外接U盘，鼠标和键盘;此外还支持SD卡和板载NAND FLASH方式存储数据，内置RTC实时时钟(可断电保护)，具有看门狗管理功能，支持WINDOWSCE5.0正版操作系统，工作功耗不大于1.8W。

3.3 无线网络传输模块

无线网络传输模块采用CC2530为核心器件，它是德州仪器公司推出的完整的用于2.4GHz IEEE802.15.4/RF4CE/ZigBee 的第二代片上系统解决方案。CC2530在单个芯片上集成了 IEEE802.15.4标准2.4GHz频段的 RF无线电收发机和一个高性能低功耗的8051微控制器，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性，特别适用于搭建功能健全价格低廉的网络节点［9-10］。

Zigbee网络通常由三种节点构成:Coordinator、Router和 End Device。Coordinator的功能是用来创建一个Zigbee网络，并为最初加入网络的节点分配地址，每个Zigbee网络需要且只需要一个Coordinator;Router也称为Zigbee全功能节点，可以转发数据，起到路由的作用，也可以收发数据，当成一个数据节点，还能保持网络，为后加入的节点分配地址;End Device是终端节点，通常定义为电池供电的低功耗设备，通常只周期性发送数据，不接收数据。

有害气体检测仪中的Zigbee模块的主要功能是无线数据传输，即每个节点随时能够收发数据，所以节点的配置只有Coordinator，Router，可以通过软件配置，多个有害气体检测仪组成的网络如下图所示，这样的网络通常也称为MESH网(即:网状网)，每个节点可以收发数据，同时也能担任其它节点的路由器，而且，所有的数据传输路由都是自动计算的，无需用户干预。

图4 有害气体检测仪远程组网拓扑图Fig.4 Remote network topology of Harmful Gas Detector

4 试验测试及结果分析

为了对远程有害气体检测仪的气体检测功能进行实验室测试，参考JJG 695—2003《硫化氢气体检测仪检定规程》及 JJG 693—2004《可燃气体检测报警器检定规程》，由标准标气瓶－减压器－流量计组成测试检定装置。测试结果，证明该有害气体检测仪达到了设计指标。

为了测试远程有害气体检测仪的无线网络传输距离及组网能力，设置无障碍实验环境，测得点对点的通讯距离可达400 m以上。通过多个远程有害气体检测仪进行组网测试，可以实现自组织组网功能，多跳通信距离可以达到2000 m以上。

5 结论

远程有害气体检测仪可对9种传感器信息进行采集，可对氧气、硫化氢、一氧化碳、二氧化硫、二氧化氮、氰化氢、可燃气体以及有机挥发性气体等8种有害气体进行检测。同时，采用Zigbee网络协议，具备自组织组网能力，该远程有害气体检测仪既可单台工作，也可以多套联合工作，采用网状拓扑结构扩大气体检测仪的应用和覆盖范围。此外，该设备还具有操作方便、体积小重量轻，功耗低，值守时间长的特点。可以快速的实现一定范围内的有害气体监测和污染范围预测。

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